Rutherford Ernest: biografija, eksperimenti, odkritja

Rutherford Ernest (leta življenja: 30.08.1871 - 19.10.1937) - angleški fizik, ustvarjalec planetarnega modela atoma, ustanovitelj jedrske fizike. Bil je član Kraljeve družbe v Londonu, od leta 1925 do 1930 - in njegovega predsednika. Ta oseba je lastnik Nobelova nagrada za kemijo,

Prihodnji znanstvenik je bil rojen v družini James Rutherford, kolesni mojster, in Martha Thompson, učiteljica. Poleg njega je imela družina 5 hčerk in 6 sinov.

Usposabljanje in prve nagrade

Preden se je družina preselila z južnega otoka Nove Zelandije na severu leta 1889, je Rutherford študiral v Christchurchju, na Canterbury College. Že takrat so se razkrile briljantne sposobnosti bodočega znanstvenika. Po koncu četrtega leta je Ernestu podelil nagrado za najboljše delo na področju matematike, poleg tega pa je tudi magistrski izpit iz fizike in matematike.

Izum magnetnega detektorja

Ko je postal mojster umetnosti, Rutherford ni zapustil šole. V samostojnem znanstvenem delu se je potopil v magnetizacijo železa. Zasnoval in izdelal je posebno napravo - magnetni detektor, ki je postal eden prvih sprejemnikov elektromagnetnih valov na svetu in Rutherfordovo "vstopno vozovnico" v veliko znanostjo. V svojem življenju se je kmalu zgodila pomembna sprememba.

Rutherford gre v Anglijo

Najbolj nadarjeni mladi subjekti angleške krone iz Nove Zelandije so bili vsaki dve leti dodeljeni štipendiji. Svetovna razstava iz leta 1851, ki je dala priložnost, da se odpravi v Anglijo, da bi preučila znanost. Leta 1895 je bilo odločeno, da bosta dva nova zagovornika zaslužila tako čast - fizik Rutherford in kemik Maclaurin. Vendar pa je bilo samo eno mesto, Ernestove upade pa so padle. Na srečo je MacLaurin zaradi družinskih okoliščin prisilil, da opustijo to potovanje, Rutherford Ernest pa je jeseni 1895 prišel v Anglijo. Tu je začel delati na Univerzi v Cambridgeu (v laboratoriju Cavendish) in postal prvi doktorat J. Thomsona, njegovega direktorja (na sliki spodaj).

Preučevanje žarkov Becquerela

Thomson je bil že takrat znan znanstvenik, eden od članov spoštovanega Royal London Society. Hitro je Rutherfordja ocenil sposobnosti Rutherforda in ga pritegnil k delu pri proučevanju ionizacije plinov pod vplivom rentgenskih žarkov, ki jih je izvedel. Vendar pa je Ernest že leta 1898 poleti naredil prve korake na drugem področju raziskav. Zanimalo ga je Becquerelovim žarkom. Sevanje uranove soli, ki ga je odkril Becquerel, fizik iz Francije, je kasneje postal znan kot radioaktivni. Francoski znanstvenik in par Curie sta se aktivno ukvarjala z raziskavami. Leta 1898 se je Rutherford Ernest pridružil delu. Ta znanstvenik je odkril, da ti žarki vključujejo tokove helijskega jedra, pozitivno nabite (alfa delce) in elektronske tokove (beta-delce).

Nadaljnja študija urana

Na Pariški akademiji znanosti 18. julija 1898 je bilo predstavljeno delo Curiejevega para, kar je vzbudilo velik interes Rutherforda. V njem so avtorji poudarili, da poleg urana obstajajo tudi drugi radioaktivni elementi (ta izraz je bil prvič uporabljen že takrat). Rutherford je kasneje predstavil pojem razpolovna doba - ena od glavnih značilnosti teh elementov.

Ernest je decembra 1897 podaljšal razstavno štipendijo. Znanstvenik je dobil priložnost za nadaljnje študije uranovih žarkov. Vendar pa je aprila 1898 mesto profesorja lokalne univerze McGill izpuščeno v Montrealu, Ernest pa je odšel v Kanado. Čas je za učenca. Vsem je bilo jasno, da je bil Rutherford že pripravljen samostojno delo.

Selitev v Kanado in novo službo

Jeseni 1898 je potekal prenos v Kanado. Sprva Rutherfordovo učenje ni šlo zelo dobro: študentom ni bilo všeč predavanje, ki ga mladi profesor, ki se še ni naučil, kako popolnoma občutiti občinstvo, nasičuje podrobnosti. V znanstvenem delu je bilo tudi nekaj težav zaradi dejstva, da je prišlo do zamude pri prihodu radioaktivnih priprav, ki jih je naročil Rutherford. Vendar so bile vse hrapavosti kmalu izravnane, za Ernesta pa se je začelo vrsto uspehov in uspehov. Vendar pa je komaj primerno govoriti o uspehu: vse je bilo doseženo s trdim delom, ki vključuje nove prijatelje in podobno misleče ljudi.

Odkritje zakona o radioaktivnih transformacijah

Okoli Rutherforda je tudi takrat nastalo vzdušje ustvarjalnega navdušenja in navdušenja. Delo je bilo veselo in napeto, pripeljalo do velikega uspeha. Rutherford je leta 1899 odkril emanacijo torija. Skupaj z Soddyjem 1902-1903 je prišel k splošnemu pravu, ki velja za vse radioaktivne transformacije. O tem pomembnem znanstvenem dogodku bi morali povedati še malo več.

Znanstveniki po vsem svetu so v tistem času trdno razumeli, da je nemogoče pretvoriti nekatere kemične elemente v druge, zato je treba za sanje alkimistov za vedno zakopati zlate iz svinca. In zdaj je bilo delo, v katerem je bilo ugotovljeno, da se v primeru radioaktivnih razpadov ne spreminjajo samo transformacije elementov, ampak se jih ne more upočasniti niti ustaviti. Poleg tega so bili formulirani zakoni teh transformacij. Danes razumemo, da gre za naboj jedra, ki določa kemijske lastnosti elementa in njen položaj v periodičnem sistemu Mendelejeva. Ko se dve enoti zmanjšata polnjenje jedra, ki se pojavi pri razkroju alfa, se v periodični tabeli premakne navzgor na 2 celicah. Eno celico navzdol se premakne z elektronskim beta razpadom, na celico pa navzgor - z pozitrom. Kljub očitnosti tega zakona in njegove navidezne preprostosti je bilo to odkritje eden najpomembnejših dogodkov v znanosti zgodnjega 20. stoletja.

Poroka Mariji Georgine Newton, rojstvo njene hčerke

Hkrati je v Ernestovem osebnem življenju potekal pomemben dogodek. Pet let po angažiranju z Mary Georgino Newton se je poročil z znanstvenikom Ernestom Rutherfordom, čigar biografija je že takrat zaznamovala pomembna dosežka. To dekle je bila hčerka gostiteljice penziona v kraju Christchurch, kjer je nekoč živel. Leta 1901, 30. marca, je bila rojena edina hči v družini Rutherfordsa. Ta dogodek je skoraj časovno sovpadel z rojstvom v fiziki novega poglavja - fizike jedra. In dve leti kasneje je Rutherford postal član Kraljeve družbe v Londonu.

Rutherfordove knjige, eksperimenti na prosojnosti folije z alfa delci

Ernest je ustvaril dve knjigi, v kateri je povzel rezultate svojih znanstvenih raziskav in dosežkov. Prvi je prišel pod imenom "Radioaktivnost" leta 1904. Leto kasneje so se pojavile "radioaktivne transformacije". Avtor teh knjig se je začel v tem času nove raziskave. Spoznal je, da iz atov izhaja iz radioaktivnega sevanja, vendar je mesto njegovega izvora ostalo popolnoma nejasno. Potrebno je bilo preučiti strukturo jedra. In potem se je Ernest obrnil na način prenosa z alfa delci, s čimer je začel svoje delo z Thomsonom. V poskusih smo proučili, kako tok teh delcev prehaja skozi tanke folije folije.

Prvi atomski model, ki ga je predlagal Thomson

Predlagal je prvi model atoma, ko se je izkazalo, da imajo elektroni negativen naboj. Vendar pa vstopajo v atom, ki je na splošno električno nevtralen. Torej mora biti nekaj v svoji sestavi, ki nosi pozitivno naboj. Da bi rešili ta problem, je Thomson predlagal naslednji model: atom je nekaj podobnega padcu, ki je pozitivno napolnjen, katerega polmer je sto milijonth centimetra. V njej so majhni elektroni z negativnim nabojem. Težijo k temu, da zasedajo položaj v samem središču atoma pod vplivom kulonskih sil, vendar če jih nekaj moti, nihajo, skupaj s sevanjem. Ta model je pojasnil obstoj sevalnih spektrov - dejstva, ki je bila takrat znana. Iz poskusov je postalo že jasno, da so razdalje med atomi v trdnih teles približno enake kot njihove dimenzije. Zato se je zdelo očitno, da alfa delci ne morejo leteti skozi folijo, tako kot kamen ne leti skozi gozd, v katerem se drevesa rastejo blizu drug drugemu. Vendar pa so prvi poskusi, ki jih je izvedel Rutherford, prepričali, da to ni bilo tako. Večina delcev alfa, ki skoraj odstopajo, so prežvečevale folijo in le v nekaterih primerih je prišlo do odstopanja, včasih pomembnega. To se zelo zanima Ernest Rutherford. Zanimiva dejstva so zahtevala nadaljnje študije.

Planetarni model Rutherforda

In potem se je ponovno pojavila Rutherfordova intuicija in zmožnost tega znanstvenika, da razume naravni jezik. Ernest je odločno opustil predlagani Thomsonov model atoma. Rutherfordovi poskusi so pripeljali do dejstva, da je predlagal svoje, imenovane planetarne. Po njegovem mnenju v središču atoma obstaja jedro, v katerem je vsa masa določenega atoma koncentrirana, kljub svoji precej majhni velikosti. In okoli jedra, kot so planeti, ki se vrtijo okoli sonca, se elektroni premikajo. Njihove mase so bistveno manjše kot pri delcih alfa, zato slednji praktično ne odstopajo, kdaj prodirajo elektronski oblaki. In le, ko alfa-delec leti mimo jedra, ki je pozitivno napolnjen, lahko kulonska odbojna sila ostro zavije trajektorijo njenega gibanja. To je teorija Rutherforda. Nedvomno je bilo to odlično odkritje.

Zakoni elektrodinamike in planetarni model

Rutherfordova izkušnja je bila zadostna, da bi mnoge znanstvenike prepričala o obstoju planetnega modela. Vendar se je izkazalo, da ni tako nedvoumno. Formula Rutherford, ki jo je izpeljal na podlagi tega modela, je bila skladna s podatki, pridobljenimi med poskusom. Vendar je zavrnila zakone elektrodinamike!

Ti zakoni, ki so bili ugotovljeni predvsem z deloma Maxwella in Faradayja, trdijo, da se naboj, pospešeno premika, oddaja elektromagnetne valove in zaradi tega izgubi energijo. V atomu Rutherforda se elektroni premikajo v Coulombovem polju jedra pospešeno in, po Maxwellovi teoriji, mora izgubiti vso energijo v desetih milijonih sekund, potem pa spustiti na jedro. Vendar se to ni zgodilo. Zato je Rutherfordova formula izničila Maxwellovo teorijo. Ernest je vedel o tem, ko je leta 1907 prišel čas za vrnitev v Anglijo.

Selitev v Manchester in prejemanje Nobelove nagrade

Delo Ernesta na univerzi McGhil je prispevalo k dejstvu, da je postal zelo znan. Rutherford je začel tekmovati, da bi povabil v znanstvene centre različnih držav. Znanstveniki spomladi 1907 so se odločili zapustiti Kanado in prišli v Manchester, na univerzi v Viktoriji, kjer je nadaljeval študij. Skupaj z H.Geygerom je ustvaril v 1908 delcev alfa števec - novo napravo, ki je imel pomembno vlogo pri ugotavljanju, da delci alfa - je helij atomi dvakrat ioniziranega. Ernest Rutherford, katerega odprtje je bilo velikega pomena, je leta 1908 prejel Nobelovo nagrado (leta kemije, ne fizike!).

Sodelovanje z Nielsom Bohrjem

Medtem je planetarni model vedno bolj zasedal svoje misli. In marca 1912 je Rutherford začel sodelovati in se družil z Nielsom Bohrjem. Najvišja zasluga Bohrja (njegova fotografija je predstavljena v nadaljevanju) je bila ta, da je v planetarni model uvedel bistveno nove lastnosti - idejo kvantov.

Izpostavil je "postulate", ki so se na prvi pogled zdele na prvi pogled notranje protislovne. Po njegovem mnenju v atomi obstajajo orbite. Elektron, ki se giblje vzdolž njih, ne izziva, v nasprotju z zakoni elektrodinamike, čeprav ima pospešek. Ta znanstvenik je poudaril pravilo, po katerem lahko najdete te orbite. Ugotovil je, da se kvantna sevanje pojavlja le takrat, ko elektron prehaja s orbite v orbito. Model atora Rutherford-Bora rešila številne težave in postala tudi preboj v svetu novih idej. Njeno odkritje je pripeljalo do radikalne revizije pojmov materije in njenega gibanja.

Nadaljnje obsežne dejavnosti

Leta 1919 je Rutherford postal profesor na univerzi v Cambridgeu, pa tudi direktor laboratorija Cavendish. Desetine znanstvenikov so ga upravičeno šteli za svojega učitelja, vključno z naknadno podeljenimi Nobelovimi nagradami. To so J. Chadwick, G. Mosley, M. Oliphant, J. Cockroft, O. Gan, W. Geithler, Yu.B. Khariton, P.L. Kapitsa, G. Gamow in drugi. Tokovi čast in nagrade so postali bolj bogati. Leta 1914 je Rutherford prejel plemstvo. Leta 1923 je postal predsednik britanske zveze, od 1925 do 1930 pa je bil predsednik Kraljeve družbe. Naslov Baron Ernest prejme leta 1931 in postane gospodar. Kljub vedno višjim pritiskom, in ne le znanstvenim, še naprej napada skrivnosti jedra in atoma.

Nudimo vam eno zanimivo dejstvo, povezano z znanstvenim delom Rutherforda. Znano je, da je Ernest Rutherford uporabljajo naslednja merila pri izbiri zaposlenih: on je človek, ki je prišel k njemu prvič, delo, in če novi delavec nato spraševali, kaj je naslednji korak, je bil takoj odpuščen.

Znanstvenik je že začel s poskusi, ki se je končal z odkritjem umetnega razcepanja atomskih jeder in umetne pretvorbe kemičnih elementov. Leta 1920 je Rutherford napovedal obstoj deuterona in nevtona, leta 1933 pa je začel in sodeloval v poskusu, da bi preveril obstoječo medsebojno povezavo med energijo in maso v jedrskih procesih. Aprila 1932 je podprl idejo o uporabi protonskih pospeševalcev pri študiju jedrskih reakcij.

Smrt Rutherforda

Velik vpliv na znanost in tehnologijo, na življenje milijonov ljudi, so dali dela Ernesta Rutherforda in dela njegovih učencev, ki pripadajo več generacijam. Odličen znanstvenik seveda ni mogel razmišljati o tem, ali bi bil ta vpliv pozitiven. Vendar pa je bil optimist, trdno verjel v znanost in v ljudi. Ernest Rutherford, katerega kratka biografija smo opisali, je 19. oktobra umrl leta 1937. Pokopan je bil v Westminster Abbey.